--激光制导自动跟踪焊接系统

为了取代诸如桥面焊接等在巨型结构上实施的拱焊接传统工艺，我们推出了采用英飞凌32位微控制器“TriCore TC1797”的自动跟踪焊接系统，以确保焊接施工的精确、高效和安全。

　　概念

该系统由一个以固定步长(1毫米)在斜坡滑道上移动的模块以及垂直激光束、摄像头和焊枪组成。

每移动一个步长，摄像头就会以待焊接的两片金属板的结合处附近为中心，对垂直激光束拍照。

图内文字：

Laser pointer：激光指针

Process：图像处理算法

FIFO：先入先出缓冲区

Digital camera：数码相机

Welding torch：焊枪

Camera snapshot of ……：结合处的激光束快照

这会在照片上形成1个缺口和2条断开的激光线(A和B)，图像处理算法将利用这些数据来计算所需的焊接坐标值(X、Y和Z)。

当模块在移动的同时，图像处理算法也会将计算得到的焊接坐标值保存到一个先入先出(FIFO)缓冲区中。焊接系统将利用该FIFO缓冲区，使焊枪移动至正确的位置。这个过程将不断重复，直至到达滑道末端。

这种方法能够补偿焊接过程中出现的任何位置错误，并且可以在不规则通道上实施焊接。

　　实现

　　图2. 自动跟踪和焊接管理

图内文字：

air flow sensor：气流传感器

flux control sensor：流量控制传感器

temperature sensor：温度传感器

image processing：图像处理

DSP：数字信号处理器

ADC：模数转换器

Fast ADC：高速模数转换器

TC1797 32bit Microcontroller：TC1797 32位微控制器

DMA：直接存储器存取

PCP：过程控制程序

GPIO：通用输入输出端口

GPTA：通用计时器阵列

Clock generation：时钟脉冲发生器

signal generation：信号发生器

SPI：串行外设接口

CAN bus：CAN总线

Diagnostic tool：诊断工具

calibration tool：校准工具

VGA camera 100x100 pixel：VGA摄像头(100x100像素)

encoder X axis：编码器(X轴)

position feedback：位置反馈

PWM：脉宽调制

BLDC motor X/Y/Z axis：无刷直流电机(X/Y/Z轴)

Cart：小推车

hall sensors：霍尔传感器

welding torch：焊枪

PC GUI：电脑(图形用户界面)

激光指针、摄像头和焊枪都装在小推车上，小推车沿焊接通道移动，焊接通道即为X轴。要精确对准焊接坐标，可以将焊枪放置在Y轴和Z轴上的任何一点。因此，需要3台电机才能实现这一点。

3台无刷直流电机的移动均由通用计时器阵列(GPTA)控制，因为GPTA具备计时器、比较和捕获等功能，可以灵活地组合成为信号测定单元和信号生成单元。这种电机专为执行发动机、变速箱和电机控制应用等典型任务而优化，但也可用于生成其他工业应用所需的简单的及复杂的信号波形。

除此之外，诸如温度传感器、气流传感器等等其他控制传感器也可连接至TC1797的模数转换器，以实现更加精确的控制。

　　无刷直流电机(推车移动X轴)

在本项目中，无刷直流电机连接至控制推车沿X轴移动的车轮。GPTA0中的LTC用于实现三相整流电机。通用输入输出端口用于输入霍尔传感器输出的信号。利用脉宽调制(PWM)来改变线圈的平均电压，以控制速度。

速度范围设置为0至1(1表示电机全速运行，而0则表示电机停止运行)。

Average voltage across windings controlled by the PWM signal

PWM on high-side of the three-phase complementary pairs

Hall Sensor Outputs

Three-phase BLDC synchronous commutation

图3. 脉宽调制计时

图内文字：

三相无刷直流电机同步整流

霍尔传感器输出

三相互补对高侧的脉宽调制

脉宽调制信号控制的线圈平均电压

　　增量式编码器(推车移动距离反馈)

本项目使用了一个Kubler增量式编码器。滤波和预分频单元(FPC)、鉴相逻辑(PDL)和LTC用于测定距离和确定旋转方向。编码器每转输出4096个脉冲，这相当于每转6台无刷直流电机同步整流，无刷直流电机齿轮比为40:1(齿轮每转240次整流)。所连接的车轮的直径为75毫米，车轮周长为235.62毫米(π × d)。也就是说，每次整流的移动距离为0.98毫米。演示模型采用了逆时针方向(CCW)移动，以便摄像头在焊枪前面拍照。

增量式编码器可为无刷直流电机提供反馈，以计算出无刷直流电机和相应的车轮转了多少圈。利用这些数据，可以计算出推车移动了多远距离。

　　图像采集

摄像头通过通用输入输出端口连接至TC1797，以连接数据和控制并行总线。全局计时器0(GT0)和全局计时器单元0(GTC0)用于生成摄像头主时钟脉冲，以控制摄像头帧速率。

TriCore TC1797的通用输入输出端口可支持的数据率约为296kHz，这表示100×100像素图像的理想帧速率为29.6fps(1字节/像素)。图像应保